CN112903053B - 基于机器视觉和激光传感的膜式燃气表读数方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机器视觉和激光传感的膜式燃气表读数方法及装置，涉及计量技术领域，所述方法采用激光传感器识别燃气表计数器末位字轮右侧轮齿并发送脉冲信号的方式，流量达到检定流量后则可以随时开始检定，不受限于某一开始或者某一结束位置，有利于提高检定效率，节省检定所需时间，检定的准确性也大大提高。本发明利用机器视觉算法检测并完成激光传感器光束和燃气表末位字轮右侧轮齿的定位，最终实现激光光束快速、精准照射到末位字轮右侧轮齿，提高燃气表自动读数效率、准确性和可靠性。

Description

基于机器视觉和激光传感的膜式燃气表读数方法及装置

技术领域

本发明涉及计量技术领域，具体涉及一种基于机器视觉和激光传感的膜式燃气表读数方法及装置。

背景技术

用于燃气贸易结算的燃气表属于强制检定计量器具，其量值准确与否直接关系到消费者和燃气公司双方的利益。燃气表的检定工作是检查燃气表计量准确性是否合格的基本手段，包括5个检定项目，即外观、密封性、压力损失、示值误差以及附加装置功能检测。

目前，大部分燃气表生产厂家和法定计量检定机构的检定装置采用人工操作或者半自动方式检定燃气表，主要依靠检定人员对被检燃气表的累积流量、温度、压力等进行人工抄录；检定人员工作量大，工作效率低，同时读数误差存在人为因素，检定质量不易控制。

而在示值误差检定项目的被检表累积流量检测环节，自动检测方式不太理想。已有的自动检测方式主要为燃气表计数器末位字轮光电采样或计数器字轮图像识别。末位字轮光电采样方式：一般燃气表计数器末位字轮会带有一个感光亮片，通过配备一种光电采样器照射到末位字轮并感应亮片完成被检表累积流量自动采集，末位字轮转动一圈感应到一次亮片，光电采样器就采一次样或输出一个脉冲(代表燃气表末位字轮转一圈对应的体积，为固定值，如10L)，直至完成被检表体积数累计，从而实现自动检测；其缺点是检定开始时必须等到计数器末位字轮感光片转到表盘正面进行照射采样，当感光片刚从正面转走时要花较多的空走时间等待其走回正面位置才能开始检测，尤其是在小流量检定点会浪费很多时间，大大降低了检定效率。

计数器字轮图像识别自动检测分两种方式：①在检定开始时，拍摄计数器末位字轮图像并建立模板，检定时按一定的频率拍摄末位字轮图像并与模板对照、判断是否一致，当末位字轮转动一圈时，自动判定与模板图像一致，并实时发出一个脉冲；检定继续进行，末位字轮每转动一圈发出一次脉冲，直至字轮完成整数圈的转动且被检表通气量或检定时间达到预置数为止，整个过程实现自动检定。但是，因一个脉冲代表末位字轮转动一圈的体积值(固定值，如10L)，检定过程中一旦丢失一个脉冲，记录的被检表累积流量将会与实际值相差较大，直接导致检定结果出错，这就对图像识别的准确性和采样间隔提出了很高的要求。②在检定开始时，拍摄计数器字轮图像并识别转化为累积流量初始数值，当检定装置通气量或检定时间达到预置数时再次拍摄计数器字轮图像、识别转化为累积流量终止数值，初始、终止两个累积流量数值之差即为被检表流量示值，与标准装置测得的通过燃气表气体量实际值比较，即可算出示值误差，实现自动检定。但是由于检定过程中计数器字轮不停转动，拍摄的字轮数字可能是相邻2个半字符而不是一个完整的字符(表盘跳表间隙上下数字不全)，难以与字符库进行字符匹配，这就给图像识别带来较大的难度和降低识别准确率，另外存在较大的外界干扰，比如光线变化等会影响图像识别的成功率。

综上，已有的被检表累积流量自动检测技术还存在不足之处，检定质量或效率还有待提高，亟需研制一种科学、可靠、高效的燃气表自动读数方法和装置。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供一种基于机器视觉和激光传感的膜式燃气表读数方法及装置，提高检定效率及检定准确性。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于机器视觉和激光传感的膜式燃气表读数方法，包括：

根据膜式燃气表的表盘位置和预设的检定模式，生成对应于前端采集模块的第一控制指令和第二控制指令，其中，所述第一控制指令包含所述前端采集模块的检定位置，所述第二控制指令包含所述前端采集模块的检定操作，所述前端采集模块包括激光检测单元和视觉检测单元；

向与所述前端采集模块所连接的电动推杆连接的动力控制箱发送所述第一控制指令，所述第一控制指令用于指示所述动力控制箱控制所述电动推杆以使所述前端采集模块移动至所述检定位置；

向与所述前端采集模块连接的检定控制箱发送所述第二控制指令，所述第二控制指令用于指示所述检定控制箱控制所述前端采集模块在到达所述检定位置时完成所述检定操作。

如上所述的膜式燃气表读数方法，进一步地，所述检定操作包括：

获取所述激光检测单元发送的第一反馈数据，其中，所述第一反馈数据包含当膜式燃气表的末位字轮转动设定圈数时接收的脉冲数，所述脉冲数是在所述膜式燃气表的末位字轮的轮齿转动时，激光检测单元发出的激光光束照射到转动的轮齿和轮槽而输出的交替变化的脉冲；所述激光检测单元所发射的激光光束与所述膜式燃气表的字轮同一水平方向上倾斜45°设置；

根据所述第一反馈数据生成第一流量示值；

获取所述视觉检测单元发送的第二反馈数据，其中，所述第二反馈数据包含当膜式燃气表的末位字轮转动相同设定圈数时，所述膜式燃气表的末位字轮的读数差，所述读数差是根据所述视觉检测单元所采集的字轮转动前后图像识别获得；

根据所述第二反馈数据生成第二流量示值；

判断被检表的两个流量示值之差是否超过所述膜式燃气表的末位字轮的单位数的两倍，若超过，则根据所述视觉检测单元所采集的字轮转动前后图像人工读数作为累积流量示值；若不超过，则将所述两个流量示值平均值作为最终累积流量示值。

如上所述的膜式燃气表读数方法，进一步地，根据所述第一反馈数据和所述脉冲数生成第一流量示值具体为：

所述膜式燃气表的末位字轮的轮齿个数的脉冲数n；

末位字轮转动一圈能发送的总脉冲数N；

末位字轮转动一圈代表的固定体积V′；

则所述第一流量示值V为：

如上所述的膜式燃气表读数方法，进一步地，根据所述视觉检测单元所采集的字轮转动前后图像识别获得，具体为：

对所采集的字轮转动前后图像进行图像预处理，其中，所述图像预处理包括依次进行的彩色图像灰度化、图像均衡化、中值滤波和二值化；

对经过图像预处理的图像进行字轮定位，其中，所述字轮定位包括依次进行的边缘检测、粗定位、精确定位；

对经过字轮定位的图像依次进行字符分割、字符匹配和输出识别结果。

如上所述的膜式燃气表读数方法，进一步地，所述前端采集模块移动至所述检定位置之前，还包括：

激光检测单元发射激光光束照向所述膜式燃气表的末位字轮的轮齿；

视觉检测单元拍摄此时燃气表的图像；

根据获取的图像确认激光光束的照射点与所述膜式燃气表的末位字轮的轮齿的关系；

若激光光束没有对准所述膜式燃气表的末位字轮的轮齿，则调动与所述前端采集模块所连接的云台模块，以使得激光光束对准所述膜式燃气表的末位字轮的轮齿；若激光光束已经对准所述膜式燃气表的末位字轮的轮齿，则开始所述检定操作。

如上所述的膜式燃气表读数方法，进一步地，

所述预设的检定模式包括检定流量依次递增的第一流量检定模式、第二流量检定模式和第三流量检定模式；

所述检定操作包括第一流量检定模式、第二流量检定模式和第三流量检定模式的检定。

完成所述检定操作后，通过电动推杆将所述前端采集模块移开所述膜式燃气表的前面。

一种膜式燃气表读数装置，包括膜式燃气表，所述膜式燃气表安装于检定工作台上，还包括检定组件，所述检定组件依据如上任一所述的膜式燃气表读数方法进行检定，

所述检定组件包括前端采集模块、云台模块、电动推杆、悬臂梁和控制盒，其中，

所述悬臂梁的一端连接于所述检定工作台上，另一端与所述电动推杆连接；

所述电动推杆用于将所述前端采集模块移动至检定位置；

所述云台模块用于在所述前端采集模块到达检定位置后进行角度调整；

所述前端采集模块包括激光检测单元和视觉检测单元；

所述控制盒包括动力控制箱和检定控制箱，其中，所述激光检测单元和所述视觉检测单元分别与所述检定控制箱控制信号连接，所述云台模块和所述电动推杆分别与所述动力控制箱控制信号连接。

如上所述的膜式燃气表读数装置，进一步地，所述云台模块包括1号舵机和2号舵机；所述悬臂梁通过推杆载板连接所述电动推杆，所述电动推杆通过推杆接头连接所述1号舵机，所述1号舵机用于调整上下翻转角度；所述1号舵机与所述2号舵机连接，所述2号舵机用于调整左右翻转角度。

如上所述的膜式燃气表读数装置，进一步地，所述激光检测单元包括激光传感器和脉冲计数器，其中，所述膜式燃气表的末位字轮右侧沿周向设有若干轮齿，所述激光传感器发出的激光光束对准末位字轮右侧轮齿；当轮齿转到固定点时和转离固定点时，所述激光传感器测出的距离不同，根据距离长短交替变化输出高低电平的脉冲并由所述脉冲计数器记录。

所述视觉检测单元包括摄像头和图像处理单元，所述摄像头用于拍摄膜式燃气表的字轮的图像，并发送给所述图像处理单元，所述图像处理单元用于处理获取的图像，并根据图像处理结果，获取生成第二流量示值，或，发送翻转角度指令到云台模块以调整所述前端采集模块的检定位姿。

如上所述的膜式燃气表读数装置，进一步地，还包括通讯模块，所述通讯模块用于将最终累积流量示值发送到远程上位机。

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：采用激光传感器识别燃气表计数器末位字轮右侧轮齿并发送脉冲信号的方式，流量达到检定流量后则可以随时开始检定，不受限于某一开始或者某一结束位置，有利于提高检定效率，节省检定所需时间，检定的准确性也大大提高。

此外，应用激光传感器的测距原理，创新性提出检测、识别燃气表计数器末位字轮右侧轮齿的方式。激光的亮度高、单色性好、光束狭窄、抗环境光度能力强，采用激光传感器进行检测，激光束能够准确定位到末位字轮右侧的小轮齿上，且不受膜式燃气表计数器上方的塑料片和其他光源的干扰，提高了测量稳定性；利用激光传感器的光束点直径小的优势，可检测、识别微小轮齿，提高了测量的分辨力，是背景技术中阐述的两种自动检测方式分辨力的1/30。识别末位字轮感光片和图像识别末位字轮转动圈数的检测方式，末位字轮每转一圈才发送一个脉冲(例如末位数码代表的体积値为1L，则采样一次代表10L)，如果出现脉冲丢失，所获得的检定结果将至少有10L的误差，而采用识别末位字轮右侧轮齿的方式进行脉冲计数，因末位字轮带有30个轮齿，末位字轮每转一圈能发送30个脉冲，测量分辨力大大提高，因而所获得的误差将大大减小、检定结果更加准确。

本读数装置配有摄像头，除了用于确认激光光束是否对准计数器末位字轮右侧的轮齿外，还会将所拍摄照片上传到上位机，进行机械计数器字轮的图像识别，所获得的的结果与激光传感器测算出的被检表累积流量示值进行比较和交叉验证，提高采集数据的准确可靠性，能够实现高精度的气体流量自动检定，避免了人工读数出现主观误差或错误，检定工作达到科学、准确、高效，降低了人工成本，为国内法定计量检定机构和燃气表生产企业提高检定质量和效率提供参考方案。

本读数装置具有安装方便和易操作的特点，只需在工作台上方进行打孔和螺丝固定即可。此外，还可以在读数装置的基础上加装通讯模块(包括GPRS模块、电池盒和补光灯)，安装在无远传功能燃气表上可实现远程抄表，便于燃气公司掌握用户用气量和对用气情况进行科学智能化管理，解决入户抄表难、工作量大等问题；用户也可以通过移动端随时随地查看燃气的用气情况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图进行简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的读数方法流程图；

图2为本发明实施例的膜式燃气表自动读数装置的结构示意图；

图3为本发明实施例的燃气表自动读数的控制盒的电气原理图；

图4为本发明实施例的检定组件的结构示意图；

图5为本发明实施例的激光传感器对准末位字轮右侧轮齿正面示意图；

图6为本发明实施例的激光传感器对准末位字轮右侧轮齿俯视图；

图7为本发明实施例的机械计数器的末位字轮示意图。

其中：1、控制盒；2、检定工作台；3、膜式燃气表；4、悬臂梁；5、电动推杆；6、云台模块；601、1号舵机；602、2号舵机；7、推杆载板；8、推杆接头；9、激光传感器；10、摄像头；11、末位字轮；111、轮齿；12、激光光束。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例：

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，本发明实施例的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

参见图1至图7，图1为本发明实施例的读数方法流程图；图2为本发明实施例的膜式燃气表自动读数装置的结构示意图；图3为本发明实施例的燃气表自动读数的控制盒的电气原理图；图4为本发明实施例的检定组件的结构示意图；图5为本发明实施例的激光传感器对准末位字轮右侧轮齿正面示意图；图6为本发明实施例的激光传感器对准末位字轮右侧轮齿俯视图；图7为本发明实施例的机械计数器的末位字轮示意图。

本发明利用机器视觉算法检测并完成激光传感器光束和燃气表末位字轮右侧轮齿的定位，最终实现激光光束快速、精准照射到末位字轮右侧轮齿，提高燃气表自动读数效率、准确性和可靠性。

参见图1，一种基于机器视觉和激光传感的膜式燃气表读数方法，可以包括以下步骤：

根据膜式燃气表的表盘位置和预设的检定模式，生成对应于前端采集模块的第一控制指令和第二控制指令，其中，所述第一控制指令包含所述前端采集模块的检定位置，所述第二控制指令包含所述前端采集模块的检定操作，所述前端采集模块包括激光检测单元和视觉检测单元。

向与所述前端采集模块所连接的电动推杆连接的动力控制箱发送所述第一控制指令，所述第一控制指令用于指示所述动力控制箱控制所述电动推杆以使所述前端采集模块移动至所述检定位置。

向与所述前端采集模块连接的检定控制箱发送所述第二控制指令，所述第二控制指令用于指示所述检定控制箱控制所述前端采集模块在到达所述检定位置后完成所述检定操作。

作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，所述检定操作包括：获取所述激光检测单元发送的第一反馈数据，其中，所述第一反馈数据包含当膜式燃气表的末位字轮转动设定圈数时接收的脉冲数，所述脉冲数是在所述膜式燃气表的末位字轮的轮齿转动时，激光检测单元发出的激光光束照射到转动的轮齿和轮槽而输出的交替变化的脉冲；所述激光检测单元所发射的激光光束与所述膜式燃气表的字轮同一水平方向上倾斜45°设置。其中，因激光传感器需检测的机械计数器的末位字轮右侧轮齿部分被膜式燃气表的外壳所遮盖，采取与燃气表机械计数器字轮同一水平方向上侧视45°的方法放置传感器，进行激光传感器放置的粗定位，如图5、图6所示，激光传感器所发射的激光光束从左侧在水平方向上倾斜45°照向右侧，对准计数器末位字轮右侧轮齿。

具体地，采用激光传感器的测距技术，末位字轮右侧轮齿转动时传感器所测得的距离交替变化，当轮齿、轮齿间隙转到激光照射点时，激光传感器测出的距离不同，前者距离短，后者距离长，根据距离区分是否检测到轮齿。即燃气表以一定的速度运转，流量稳定在检定流量点后开始检定，控制盒发送指令给激光传感器和脉冲计数器，激光传感器开始识别末位字轮右侧轮齿，当检测到有一个轮齿经过，置为高电平，通过信号线向脉冲计数器发送一个计数脉冲；检测到空隙，置为低电平，不发送脉冲。

根据所述第一反馈数据生成第一流量示值。具体地，识别末位字轮的感光片和图像识别末位字轮同一字符的转动圈数，两种自动检测方式都是末位字轮每转一圈才发送一个脉冲；而本读数方法及装置采用识别末位字轮右侧轮齿转过个数的方式进行脉冲计数(因末位字轮带有30个轮齿，字轮每转一圈能发送30个脉冲)，识别精度更高、误差更小、结果更加准确。采集检定过程中所获得的脉冲数n并发送到上位机，计算出被检表累积流量示值V₁。

获取所述视觉检测单元发送的第二反馈数据，其中，所述第二反馈数据包含当膜式燃气表的末位字轮转动相同设定圈数时，所述膜式燃气表的末位字轮的读数差，所述读数差是根据所述视觉检测单元所采集的字轮转动前后图像识别获得。具体地，本读数装置配有摄像头，除了用于确认激光光束是否对准计数器末位字轮右侧的轮齿外，还会将所拍摄照片上传到上位机，进行机械计数器字轮的图像识别，在软件系统中载入字轮图像，进行图像预处理(包括彩色图像灰度化、图像均衡化、中值滤波、二值化)、字轮定位(包括边缘检测、粗定位、精确定位)、字符分割、字符匹配和输出识别结果。

根据所述第二反馈数据生成第二流量示值；具体地，采集检定开始时和检定结束时的两张字轮照片，识别、转化成的两个流量数值相减，即计算出被检表累积流量值V₂。

判断被检表的两个累积流量示值之差是否超过所述膜式燃气表的末位字轮的单位数的两倍，若超过，则根据所述视觉检测单元所采集的字轮转动前后图像人工读数作为最终累积流量示值；若不超过，则将所述两个累积流量示值平均值作为最终累积流量示值。将V₂与激光传感器测算的被检表累积流量示值V₁进行比较和交叉验证，如果两者绝对误差不超过被检表2倍末位字轮单位数，则认为被检燃气表示值采集准确可靠，取V₁和V₂的算术平均值作为被检表的累积流量示值。如果绝对误差超过被检表2倍末位字轮单位数，则人工读取计数器检定起始图像上的读数和终止图像上的读数，计算两者之差以作为被检燃气表的累积流量示值。

作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，根据所述第一反馈数据和所述脉冲数生成第一流量示值具体为：所述膜式燃气表的末位字轮的轮齿个数的脉冲数n；末位字轮转动一圈能发送的总脉冲数N；

末位字轮转动一圈代表的固定体积V′；则所述第一流量示值V为：

当燃气表通气运转时，其机械计数器字轮转动计数，末位字轮转一圈对应一个固定的体积(如10L)，末位字轮右侧均匀分布固定数量的轮齿(如30个)，则通过记录转过的轮齿个数即可计算出燃气表示值流量。当脉冲累积计数达到30个时，燃气表末位字轮完成一圈转动，被检表气体体积示值为10L。根据检测原理，燃气表累积流量示值计算公式如下：

式中，V为被检表累积流量示值，单位为升，L；n为脉冲数。

识别末位字轮的感光片和图像识别末位字轮同一字符的转动圈数，两种自动检测方式都是末位字轮每转一圈才发送一个脉冲；而本读数方法及装置采用识别末位字轮右侧轮齿转过个数的方式进行脉冲计数(因末位字轮带有30个轮齿，字轮每转一圈能发送30个脉冲)，识别精度更高、误差更小、结果更加准确。采集检定过程中所获得的脉冲数n并发送到上位机，通过上述计算公式，计算出被检表累积流量示值V₁。

作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，根据所述视觉检测单元所采集的字轮转动前后图像识别获得，具体为：对所采集的字轮转动前后图像进行图像预处理，其中，所述图像预处理包括依次进行的彩色图像灰度化、图像均衡化、中值滤波和二值化；对经过图像预处理的图像进行字轮定位，其中，所述字轮定位包括依次进行的边缘检测、粗定位、精确定位；对经过字轮定位的图像依次进行字符分割、字符匹配和输出识别结果。

具体地，本读数装置配有摄像头，除了用于确认激光光束是否对准计数器末位字轮右侧的轮齿外，还会将所拍摄照片上传到上位机，进行机械计数器字轮的图像识别，在软件系统中载入字轮图像，进行图像预处理(包括彩色图像灰度化、图像均衡化、中值滤波、二值化)、字轮定位(包括边缘检测、粗定位、精确定位)、字符分割、字符匹配和输出识别结果。采集检定开始时和检定结束时的两张字轮照片，识别、转化成的两个流量数值相减，即计算出被检表累积流量值V₂。

作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，所述前端采集模块移动至所述检定位置之前，还包括：激光检测单元发射激光光束照向所述膜式燃气表的末位字轮的轮齿；视觉检测单元拍摄此时燃气表的图像；根据获取的图像确认激光光束的照射点与所述膜式燃气表的末位字轮的轮齿的关系；若激光光束没有对准所述膜式燃气表的末位字轮的轮齿，则调动与所述前端采集模块所连接的云台模块，以使得激光光束对准所述膜式燃气表的末位字轮的轮齿；若激光光束已经对准所述膜式燃气表的末位字轮的轮齿，则开始所述检定操作。具体地，云台模块上搭载摄像头和传感器，且摄像头和传感器的照射面在同一平面上。云台模块包括1号舵机、2号舵机，用于读数装置的上下、左右微调，如果激光传感器发射的激光光束偏离轮齿，则通过控制1号舵机、2号舵机的转动来调整云台的旋转角度以调整激光传感器位置直至激光光束照射到轮齿上。若出现左右偏移，则控制2号舵机绕中心轴逆时针或顺时针旋转一定角度，从而控制激光传感器向左或者向右移动一定距离；若出现上下偏移，则控制1号舵机向上或者向下翻转一定角度，从而控制激光传感器向上或者向下偏移一定距离；1号舵机和2号舵机的可旋转角度范围在0°～90°之间。

作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，所述预设的检定模式包括检定流量依次递增的第一流量检定模式、第二流量检定模式和第三流量检定模式；所述检定操作包括第一流量检定模式、第二流量检定模式和第三流量检定模式的检定完成所述检定操作后，通过电动推杆将所述前端采集模块移开所述膜式燃气表的前面。具体地，当被检燃气表通气量或检定时间达到设定数，完成该流量点的检定；当完成小流量、中流量和大流量三个流量点检定后，检定结束，控制盒控制电动推杆上升，读数装置收起，以便检定员进行拆表作业。

一种膜式燃气表读数装置，包括膜式燃气表，所述膜式燃气表安装于检定工作台上，还包括检定组件，所述检定组件依据如上任一所述的膜式燃气表读数方法进行检定，所述检定组件包括前端采集模块、云台模块、电动推杆、悬臂梁和控制盒，其中，所述悬臂梁的一端连接于所述检定工作台上，另一端与所述电动推杆连接；所述电动推杆用于将所述前端采集模块移动至检定位置；所述云台模块用于在所述前端采集模块到达检定位置后进行角度调整；所述前端采集模块包括激光检测单元和视觉检测单元；所述控制盒包括动力控制箱和检定控制箱，其中，所述激光检测单元和所述视觉检测单元分别与所述检定控制箱控制信号连接，所述云台模块和所述电动推杆分别与所述动力控制箱控制信号连接。控制盒与下位机控制信号相连，并与上位机保持通讯。

具体地，读数装置包括控制盒、悬臂梁、精密电动推杆、云台模块、激光检测单元和视觉检测单元。检定员安装好待检定的膜式燃气表后，在上位机启动检定程序，电动推杆收到驱动信号后精准下移，将云台精准下放到待检测区域，激光传感器发射激光光束照向末位字轮右侧轮齿，视觉检测单元拍摄此时燃气表的图像，确认激光光束是否对准计数器末位字轮右侧轮齿。如果两者位置出现偏差，则通过控制1号和2号舵机的转动来调整云台的旋转角度，从而调整激光传感器照射位置；因对检测精度的要求较高，容错率在1～2mm之间，需要视觉检测单元拍摄图像，利用机器视觉算法检测并完成激光传感器光束和燃气表末位字轮右侧轮齿的定位，根据两者偏差实时反馈给控制系统、调节云台的转动，最终实现光束快速、精准照射到末位字轮右侧轮齿，提高燃气表自动读数效率，为后续检定工作做好准备。

作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，所述云台模块包括1号舵机和2号舵机；所述悬臂梁通过推杆载板连接所述电动推杆，所述电动推杆通过推杆接头连接所述1号舵机，所述1号舵机用于调整上下翻转角度；所述1号舵机与所述2号舵机连接，所述2号舵机用于调整左右翻转角度。具体地，云台模块上搭载激光检测单元(激光传感器)和视觉检测单元(摄像头)，其包括1号舵机和2号舵机，用于检测模块的上下、左右微调，且摄像头和传感器的照射面在同一平面上。如果激光传感器发射的激光光束偏离末位字轮右侧轮齿，则通过控制舵机的转动来调整云台的旋转角度，从而调整激光传感器位置；若出现左右偏移，则控制2号舵机绕中心轴逆时针或顺时针水平旋转一定角度，从而控制激光传感器向左或者向右移动一定距离；若出现上下偏移，则控制1号舵机向上或者向下翻转一定角度，从而控制激光传感器向上或者向下移动一定距离；1号舵机和2号舵机的可旋转角度范围在0°～90°之间。

作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，所述激光检测单元包括激光传感器和脉冲计数器，其中，所述膜式燃气表的末位字轮右侧沿周向设有若干轮齿，所述激光传感器发出的激光光束对准末位字轮右侧轮齿；当轮齿转到固定点时和转离固定点时，所述激光传感器测出的距离不同，根据距离长短交替变化输出高低电平的脉冲并由所述脉冲计数器记录。具体地，本发明利用激光传感器照射到末位字轮右侧轮齿所在圆环的正面固定点，当轮齿、轮齿间隙转到固定点时，激光传感器测出的距离不同，前者距离短，后者距离长，则可以根据距离长短交替变化输出脉冲，即每检测到一次短距离输出一个脉冲，记一次轮齿个数，根据累计的脉冲个数就可以计算出燃气表的示值流量。

所述视觉检测单元包括摄像头和图像处理单元，所述摄像头用于拍摄膜式燃气表的字轮的图像，并发送给所述图像处理单元，所述图像处理单元用于处理获取的图像，并根据图像处理结果，获取生成第二流量示值，或，发送翻转角度指令到云台模块以调整所述前端采集模块的检定位姿。

作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，还包括通讯模块，所述通讯模块用于将最终累积流量示值发送到远程上位机。具体地，本读数装置具有安装方便和易操作的特点，在读数装置的基础上加装通讯模块(包括GPRS模块、电池盒和补光灯)，安装在无远传功能燃气表上可实现远程抄表，即基于机器视觉和激光传感器技术的膜式燃气表远传自动读数方法及装置。在安装使用前，摄像头拍摄燃气表正面照片上传到远程上位机，进行机械计数器字轮的图像识别或人工识别，所识别转化的流量值为初始值，下月进行燃气费结算时，摄像头再次拍摄照片进行图像识别，识别转化得到结算时点的累积流量值，两个数值相减，即计算出用户本月的用气量A。根据计费时段激光传感器测得的脉冲数算出的流量值V₁为用户本月的用气量B，两者进行比较和交叉验证，图像识别所获得的的数值A用于辅助验证和初始值的记录；因通过脉冲数得到的用气量B精度更高，燃气计量以用气量B结果为准。根据燃气表流量初始值和用气量B，可计算出结算时燃气表累积体积，再下个月进行燃气费结算时则以其为燃气表流量初始值，以此类推。所有的图像和数据均通过通讯模块进行无线远传，传输到燃气公司后台服务器系统和用户移动终端。无需入户即可定期获得燃气表的流量值，实现远程抄表功能，便于燃气公司掌握用户用气量和对用气情况进行科学智能化管理，解决入户抄表难、工作量大等问题。用户也可以通过移动端随时随地查看燃气的用气情况。

本读数装置的一个实施过程如下：本实施例中，上位机为计算机，控制盒内有下位机，下位机为可编程控制器(PLC)。读数装置包括定位装置、激光检测单元、视觉检测单元。定位装置控制电动推杆的上升和下降进行读数装置的粗定位；当出现偏移时，通过云台模块，转动1号、2号舵机进行定位微调以实现精确定位。激光检测单元包括激光传感器和脉冲计数器，激光传感器检测到轮齿经过时发送一个脉冲给脉冲计数器，脉冲计数器把采集到的数据传输到下位机。视觉检测单元包括摄像头、图像处理模块，将实时采集激光传感器光束和燃气表末位字轮右侧轮齿定位的图像信息，根据两者偏差反馈调节云台的转动，利用视觉算法检测并实现激光光束快速、精准照射到末位字轮右侧轮齿；同时，还用于机械计数器字轮的图像识别，采集检定开始时和检定结束时的两张字轮照片，识别、转化成的起始和终止两个流量数值相减，即计算出被检表累积流量示值V₂。

检定员安装好待检定的膜式燃气表后，在上位机启动检定，精准电动推杆收到驱动信号后下放，带动云台模块精准下放到待检测区域，激光传感器发射激光光束照向燃气表末位字轮右侧轮齿，摄像头拍摄燃气表的图像，确认激光光束是否对准计数器末位字轮右侧轮齿。因激光光束和轮齿尺寸小，对定位精度要求较高，容错率在1～2mm之间，需要摄像头拍摄燃气表的图像，实时把轮齿和光束位置信号反馈给控制系统，直至激光光束对准计数器末位字轮右侧轮齿，实现全自动、高精度的检测调控。

当被检燃气表通气量或检定时间达到设定数，完成该流量点的检定；当完成小流量、中流量和大流量三个流量点检定后，检定结束，控制盒控制电动推杆上升，读数装置收起，以便检定员进行拆表作业。

目前，大部分燃气表生产厂家和法定计量检定机构的检定装置采用人工操作或者半自动方式检定燃气表，主要依靠技术人员对被检燃气表的累积流量进行人工抄录；技术人员工作量大，工作效率低，同时存在人为因素的读数误差，检定质量不易控制。

而在示值误差检定项目的被检表累积流量检测环节，自动检测方式不太理想。已有的自动检测方式主要为燃气表计数器末位字轮光电采样或计数器字轮图像识别。前者存在检定效率低下的问题，检定开始时必须等到计数器末位字轮感光片转到表盘正面进行照射采样，当感光片刚从正面转走时要花较多的空走时间等待其走回正面位置才能开始检测，尤其对于小流量的检定点，浪费时间甚至长达40分钟，大大降低了检定效率。对于图像识别字轮字符的方式，则存在燃气表字轮跳表时识别成功率不高的问题。相较于以上两种方法，采用激光传感器识别燃气表计数器末位字轮右侧轮齿并发送脉冲信号的方式，流量达到检定流量后则可以随时开始检定，不受限于某一开始或者某一结束位置，有利于提高检定效率，节省检定所需时间，检定的准确性也大大提高。

此外，应用激光传感器的测距原理，创新性提出检测、识别燃气表计数器末位字轮右侧轮齿的方式。激光的亮度高、单色性好、光束狭窄、抗环境光度能力强，采用激光传感器进行检测，激光束能够准确定位到末位字轮右侧的小轮齿上，且不受膜式燃气表计数器上方的塑料片和其他光源的干扰，提高了测量稳定性；利用激光传感器的光束点直径小的优势，可检测、识别微小轮齿，提高了测量的分辨力，是背景技术中阐述的两种自动检测方式分辨力的1/30。识别末位字轮感光片和图像识别末位字轮转动圈数的检测方式，末位字轮每转一圈才发送一个脉冲(例如末位数码代表的体积值为1L，则采样一次代表10L)，如果出现脉冲丢失，所获得的检定结果将至少有10L的误差，而采用识别末位字轮右侧轮齿的方式进行脉冲计数，因末位字轮带有30个轮齿，末位字轮每转一圈能发送30个脉冲，测量分辨力大大提高，因而所获得的误差将大大减小、检定结果更加准确。

本读数装置配有摄像头，除了用于确认激光光束是否对准计数器末位字轮右侧的轮齿外，还会将所拍摄照片上传到上位机，进行机械计数器字轮的图像识别，所获得的的结果与激光传感器测算出的被检表累积流量示值进行比较和交叉验证，提高采集数据的准确可靠性，能够实现高精度的气体流量自动检定，避免了人工读数出现主观误差或错误，检定工作达到科学、准确、高效，降低了人工成本，为国内法定计量检定机构和燃气表生产企业提高检定质量和效率提供参考方案。

本读数装置具有安装方便和易操作的特点，只需在工作台上方进行打孔和螺丝固定即可。此外，还可以在读数装置的基础上加装通讯模块(包括GPRS模块、电池盒和补光灯)，安装在无远传功能燃气表上可实现远程抄表，便于燃气公司掌握用户用气量和对用气情况进行科学智能化管理，解决入户抄表难、工作量大等问题；用户也可以通过移动端随时随地查看燃气的用气情况。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于机器视觉和激光传感的膜式燃气表读数方法，其特征在于，包括：

根据膜式燃气表的表盘位置和预设的检定模式，生成于前端采集模块的第一控制指令和第二控制指令，其中，所述第一控制指令包含所述前端采集模块的检定位置，所述第二控制指令包含所述前端采集模块的检定操作，所述前端采集模块包括激光检测单元和视觉检测单元；

向与所述前端采集模块所连接的电动推杆连接的动力控制箱发送所述第一控制指令，所述第一控制指令用于指示所述动力控制箱控制所述电动推杆以使所述前端采集模块移动至所述检定位置；

向与所述前端采集模块连接的检定控制箱发送所述第二控制指令，所述第二控制指令用于指示所述检定控制箱控制所述前端采集模块在到达所述检定位置后完成所述检定操作；

所述检定操作包括：

获取所述激光检测单元发送的第一反馈数据，其中，所述第一反馈数据包含当膜式燃气表的末位字轮转动设定圈数时接收的脉冲数，所述脉冲数是在所述膜式燃气表的末位字轮的轮齿转动时，激光检测单元发出的激光光束照射到转动的轮齿和轮槽而输出的交替变化的脉冲；所述激光检测单元所发射的激光光束与所述膜式燃气表的字轮同一水平方向上倾斜45°设置；

根据所述第一反馈数据生成第一流量示值；

获取所述视觉检测单元发送的第二反馈数据，其中，所述第二反馈数据包含当膜式燃气表的末位字轮转动相同设定圈数时所述膜式燃气表的字轮的读数差，所述读数差是根据所述视觉检测单元所采集的字轮转动前后图像识别获得；

根据所述第二反馈数据生成第二流量示值；

判断被检表的两个流量示值之差是否超过所述膜式燃气表的末位字轮的单位数的两倍，若超过，则根据所述视觉检测单元所采集的字轮转动前后图像人工读数作为累积流量示值；若不超过，则将所述两个流量示值平均值作为累积流量示值。

2.根据权利要求1所述的膜式燃气表读数方法，其特征在于，根据所述第一反馈数据和所述脉冲数生成第一流量示值具体为：

所述膜式燃气表的末位字轮的轮齿个数的脉冲数n；

末位字轮转动一圈能发送的总脉冲数N；

末位字轮转动一圈代表的固定体积V′；

则所述第一流量示值V为：

3.根据权利要求2所述的膜式燃气表读数方法，其特征在于，根据所述视觉检测单元所采集的字轮转动前后图像识别获得，具体为：

对所采集的末位字轮转动前后图像进行图像预处理，其中，所述图像预处理包括依次进行的彩色图像灰度化、图像均衡化、中值滤波和二值化；

对经过图像预处理的图像进行字轮定位，其中，所述字轮定位包括依次进行的边缘检测、粗定位、精确定位；

对经过字轮定位的图像依次进行字符分割、字符匹配和输出识别结果。

4.根据权利要求1所述的膜式燃气表读数方法，其特征在于，所述前端采集模块移动至所述检定位置之前，还包括：

激光检测单元发射激光光束照向所述膜式燃气表的末位字轮的轮齿；

视觉检测单元拍摄此时燃气表的图像；

根据获取的图像确认激光光束的照射点与所述膜式燃气表的末位字轮的轮齿的关系；

若激光光束没有对准所述膜式燃气表的末位字轮的轮齿，则调动与所述前端采集模块所连接的云台模块，以使得激光光束对准所述膜式燃气表的末位字轮的轮齿；若激光光束已经对准所述膜式燃气表的末位字轮的轮齿，则开始所述检定操作。

5.根据权利要求1所述的膜式燃气表读数方法，其特征在于，

所述预设的检定模式包括检定流量依次递增的第一流量检定模式、第二流量检定模式和第三流量检定模式；

所述检定操作包括第一流量检定模式、第二流量检定模式和第三流量检定模式的检定；

完成所述检定操作后，通过电动推杆将所述前端采集模块移开所述膜式燃气表的前面。

6.一种膜式燃气表读数装置，包括膜式燃气表，所述膜式燃气表安装于检定工作台上，其特征在于，还包括检定组件，所述检定组件依据如权利要求1至5任一所述的膜式燃气表读数方法进行检定，

所述检定组件包括前端采集模块、云台模块、电动推杆、悬臂梁和控制盒，其中，

所述悬臂梁的一端连接于所述检定工作台上，另一端与所述电动推杆连接；

所述电动推杆用于将所述前端采集模块移动至检定位置；

所述云台模块用于在所述前端采集模块到达检定位置后进行角度调整；

所述前端采集模块包括激光检测单元和视觉检测单元；

所述控制盒包括动力控制箱和检定控制箱，其中，所述激光检测单元和所述视觉检测单元分别与所述检定控制箱控制信号连接，所述云台模块和所述电动推杆分别与所述动力控制箱控制信号连接。

7.根据权利要求6所述的膜式燃气表读数装置，其特征在于，所述云台模块包括1号舵机和2号舵机；所述悬臂梁通过推杆载板连接所述电动推杆，所述电动推杆通过推杆接头连接所述1号舵机，所述1号舵机用于调整上下翻转角度；所述1号舵机与所述2号舵机连接，所述2号舵机用于调整左右翻转角度。

8.根据权利要求6所述的膜式燃气表读数装置，其特征在于，所述激光检测单元包括激光传感器和脉冲计数器，其中，所述膜式燃气表的末位字轮右侧沿周向设有若干轮齿，所述激光传感器发出的激光光束对准末位字轮右侧轮齿；当轮齿转到固定点时和转离固定点时，所述激光传感器测出的距离不同，根据距离长短交替变化输出高低电平的脉冲并由所述脉冲计数器记录；

所述视觉检测单元包括摄像头和图像处理单元，所述摄像头用于拍摄膜式燃气表的字轮的图像，并发送给所述图像处理单元，所述图像处理单元用于处理获取的图像，并根据图像处理结果，获取生成第二流量示值，或，发送翻转角度指令到云台模块以调整所述前端采集模块的检定位姿。

9.根据权利要求6所述的膜式燃气表读数装置，其特征在于，还包括通讯模块，所述通讯模块用于将最终累积流量示值发送到远程上位机。

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